Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantencomputer aus gängigen Halbleitermaterialien

02.12.2015

Physiker der Technischen Universität München, des Los Alamos National Laboratory und der Universität Stanford (USA) spürten in Halbleiter-Nanostrukturen Mechanismen auf, aufgrund derer gespeicherte Informationen verloren gehen können – und stoppten das Vergessen mit Hilfe eines externen Magnetfeldes. Die neu entwickelten Nanostrukturen bestehen aus gängigen Halbleitermaterialien, kompatibel zu üblichen Herstellungsprozessen.

Quantenbits, kurz Qubits, sind die Grundelemente der „Quanten-Informationstechnologie“ (QIT), die möglicherweise die Zukunft der Computer darstellt. Weil er Probleme quantenmechanisch verarbeitet, könnte ein solcher Quantencomputer einmal komplexe Probleme mit weit höherer Geschwindigkeit lösen als heutige, so die Hoffnung.


Elektron im Quanten-Punkt, beeinflusst von Kernspins der Umgebung

Grafik: Fabian Flassig / TUM


Alexander Bechthold in seinem Labor im Walter Schottky Institut der TU München

Andreas Battenberg / TUM

Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten, solche Qubits zu realisieren: Photonen kommen hier ebenso in Frage wie gefangene Ionen oder Atome, deren Zustand jeweils gezielt mit Hilfe eines Lasers verändert werden kann. Die Kernfrage für eine mögliche Anwendung als Speicherbaustein ist, wie lange sich Informationen in einem System sichern lassen und welche Mechanismen zum Verlust einer gespeicherten Information führen.

Physiker um Alexander Bechtold und Professor Jonathan Finley vom Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) haben nun ein aus einem einzelnen Elektron bestehendes System vorgestellt, welches in einer Halbleiter-Nanostruktur gefangen ist. Informationsträger ist hierbei der Elektronenspin.

Die Forscher konnten einerseits verschiedene Verlustmechanismen erstmals exakt nachweisen und andererseits zeigen, dass sich die gespeicherte Information mit Hilfe eines starken, äußeren Magnetfelds dennoch erhalten lässt.

Elektron gefangen im Quanten-Dot

Die TUM-Physiker bedampften für ihre Nanostruktur ein Substrat aus Gallium-Arsenid mit Indium-Gallium-Arsenid. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterabstände beider Halbleitermaterialien entsteht am Übergang eine Verspannung im Kristallgitter. Das System bildet daher in regelmäßigen Abständen wenige Nanometer große „Hügel“, sogenannte Quanten-Dots.

Kühlt man die Quantenpunkte auf die Temperatur flüssigen Heliums und regt sie optisch an, ist es möglich, ein einzelnes Elektron gezielt in diesen Quanten-Dots gefangen zu halten. Die Spin-Zustände des Elektrons lassen sich dabei als Informationsspeicher nutzen. Laserpulse können sie optisch von außen lesen und verändern. Daher stellt das System einen idealen Grundbaustein zum Aufbau künftiger Quantencomputer dar.

Spin-up oder Spin-down entsprechen hierbei den klassischen Informationseinheiten 0 und 1, dazu kommen aber außerdem noch die Zwischenzustände aus den quantenmechanischen Überlagerungen von up und down.

Bisher unbekannte Verlustmechanismen

Allerdings gibt es ein Problem: „Wir haben herausgefunden, dass die Verspannungen im Halbleitermaterial zu einem neuen bis vor kurzem noch unbekannten Verlustmechanismus führen“, sagt Alexander Bechtold. Die Verspannungen erzeugen nämlich winzige elektrische Felder im Halbleiter, die sich auf den Spin der Atomkerne auswirken.

„Das ist eine Art piezoelektrischer Effekt“, sagt Bechtold. „Es kommt dabei zu unkontrollierten Fluktuationen der Kernspins.“ Diese können wiederum den Spin des Elektrons, also die gespeicherte Information, verändern. Innerhalb von hundert Nanosekunden würde sie verloren gehen.

Darüber hinaus konnte das Team um Alexander Bechtold noch weitere Verlustmechanismen nachweisen, etwa dass generell jeder Elektronenspin von den Spins der ihn umgebenden etwa 100.000 Atomkerne beeinflusst wird.

Rettung vor dem quantenmechanischen Vergessen

„Beide Verlustkanäle lassen sich jedoch abschalten, wenn wir ein etwa 1,5 Tesla starkes Magnetfeld anlegen“, sagt Bechtold. „Das entspricht der Magnetfeldstärke eines starken Permanentmagneten. Damit stabilisieren wir die Kernspins, und die Informationen bleiben gespeichert.“

„Das System ist insgesamt äußerst vielversprechend“, so Jonathan Finley, Leiter der Forschungsgruppe. „Die Halbleiter-Quanten-Dots haben den Vorteil, ideal mit bestehender Computertechnologie zu harmonieren, da sie aus ähnlichen Halbleiter-Materialien bestehen.“ Sie ließen sich sogar mit elektrischen Kontakten versehen und so nicht nur optisch mit dem Laser, sondern zusätzlich mit Hilfe etwa von Spannungspulsen ansteuern.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Europäischen Gemeinschaft (S3 Nano und BaCaTeC), des US Department of Energy, des US Army Research Office (ARO), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und SFB 631), der Alexander von Humboldt Stiftung und des TUM Institute for Advanced Study (Focus Group Nanophotonics and Quantum Optics).

Publikation:

Three-stage decoherence dynamics of an electron spin qubit in an optically active quantum dot; Alexander Bechtold, Dominik Rauch, Fuxiang Li, Tobias Simmet, Per-Lennart Ardelt, Armin Regler, Kai Müller, Nikolai A. Sinitsyn and Jonathan J. Finley; Nature Physics, 11, 1005-1008 (2015) – DOI: 10.1038/nphys3470

Kontakt:

Prof. Dr. Jonathan J. Finley
Walter Schottky Institut
Technische Universität München
85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11481
E-Mail: jonathan.finley@wsi.tum.de

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3470.html Publikation
http://www.wsi.tum.de Website des Walter Schottky Instituts
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/32776/ Presseinformation der TUM

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schreiben mit dem Elektronenstrahl: Jetzt auch Nanostrukturen aus Silber
24.07.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Quantenkommunikation in freier Luft nimmt Fahrt auf
24.07.2017 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie